Phasenspezifische Analyse und Simulation der Mikroverformung und Schädigung in Metal-Matrix Verbundwerkstoffen

• Antragsteller: Professor Dr. Siegfried Schmauder; Professor Dr.-Ing. Wolfgang Tillmann
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 298892085

Die Dehnungslokalisierung und die Entstehung von Mikroschädigungen in duktilen Werkstoffen wie z.B. in Metallen ist von großer technischer Bedeutung, da solche im Gefüge ablaufende Prozesse das mechanische Verhalten unter Last, beim Umformen sowie beim Zerspanen beeinflussen. Zudem besteht ein Zusammenhang zwischen den Orten erhöhter Dehnung und den Orten, an denen Mikro-Schädigungen entstehen sowie das makroskopische Versagen stattfindet. Um solche mikrostrukturellen Prozesse besser kontrollieren zu können, werden metallische Werkstoffe bspw. durch Dispersion von harten Partikeln verstärkt. Solche Metallmatrix-Verbundwerkstoffe (MMCs) werden zunehmend interessanter, da die mechanischen Eigenschaften über einen weiten Bereich für vielfältige Anwendungen angepasst werden können.Das Projekt zielt darauf ab, ein Verständnis der Mikroverformungs- und Mikroschädigungs-prozesse in MMCs unter Einbeziehung der Eigenspannungen und durch eine kombinierte Anwendung von 2D/3D experimentellen Analyseverfahren und Simulationstechniken am Beispiel des Systems Co/WC/Diamant zu erlangen:Proben aus verschiedenen Co/WC/Diamant MMCs werden hierzu unter Zug bis zu unterschiedlichen Dehnungsstufen belastet. In jedem dieser Zustände wird der Stegbereich der Probe mittels Rasterelektronenmikroskopie und 3D-Mikro-Computertomographie (µCT) abgebildet. In situ-Zugversuche im µCT werden dabei mit einer Belastungseinrichtung durchgeführt, welche im Projekt konstruiert und gebaut wird. Des Weiteren wird ein Korrelationsalgorithmus für die phasenspezifische Analyse von 3D Dehnungsfeldern entwickelt und auf die 3D-µCT-Bilder angewendet. Dieser iterative Algorithmus berücksichtigt die Phasenverteilung im Gefüge, die aus den µCT-Bildern gewonnen werden. Zudem werden die Einflüsse der Eigenspannungen, der Gefügeparameter und der Co/Diamant-Anbindung auf die Entstehung von Dehnungs- und Spannungskonzentrationen und den Schädigungsbeginn auf mikroskopischer Ebene untersucht.Auf Basis der experimentell gewonnenen Phasenverteilungen werden realitätsnahe 3D FE-Modelle der Phasengeometrie des Co/WC/Diamant-MMCs aufgebaut, um die Mikroverfor-mungs- und Mikroschädigungsprozesse zu simulieren. Die an den Randflächen des Modells gemessenen Verschiebungsfelder gehen dabei als Randbedingungen in die FE-Simulation ein. Zur Verifikation des Simulationsmodells werden die Simulationsergebnisse mit den experimentellen Befunden auf Basis der Dehnungsfelder, Eigenspannungen und Schä-digungsprozesse miteinander verglichen. Mit Hilfe des verifizierten, numerischen Modells ist es möglich, über Parameterstudien in Bezug auf die Phasenverteilung sowie die Phasen-volumenanteile ein Werkstoffverständnis hinsichtlich der Verformung und Schädigung des Verbundes abzuleiten. Die enge Verknüpfung zwischen dem Experiment und der Simulation stellt dabei einen wesentlichen Punkt zur Erlangung dieser Ziele dar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen